海洋能

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1、本章内容,1,5.1海洋能引言,在地球与太阳、月亮等天体的相互作用下，不停运动着的海水蕴藏着巨大的能量，如潮汐能、波浪能、温差能、海流能、盐差能等，这些能量总称为海洋能。 每种海洋能都具有相当大的能量通量。如潮汐能、盐差能能量通量均约为2TW；波浪能的能量通量也在TW级；海洋热能的能量通量至少在102TW级。 由于海洋能分散在广阔的海域，海洋能的能流密度相当低；大部分海洋能均蕴藏在远离用电中心区的海域。 除潮汐能外，人类对海洋能的开发利用程度非常低。在可以预见的将来，也仅有一小部分海洋能能够开发利用。,2,5.1海洋能引言,技术上，人类研究海洋能技术的历史太短，技术上不成熟；对可能造成的环境问

2、题，如影响生物种群、严重淤积、影响航运等引起人们的疑虑。 政策上，常规能源的定价以内部成本为基础，未包括或未完全包括社会成本，使海洋能与其它可再生能源不能在一个平等的基础上进行竞争。 经济上，利用海洋能的一次投资庞大，运行成本却很低。这种情况与常规能源相反。高利率的金融政策将使可再生能源更难以取代矿物燃料。 另外，可再生能源的回报周期长，风险高，也加大了商业投资成本。,3,5.2.1潮汐能形成,潮汐能月球和太阳的引力作用于地球而产生的能量。 潮汐主要是由于月球、太阳对地球表面海水的不均匀引力作用产生的，且以月球对地球表面海水不均匀引力影响为主，运动着的地、月、日的相对位置存在着多种周期性变化，

3、因而海水也在作多种周期性组合的复杂波动. 月球的引力使地球的向月面和背月面的洋面水位升高。因地球旋转，洋面上升的周期为12h25min,振幅不大于1m。 太阳的作用与月球相似，但作用力较小，周期12h。 潮汐形式大潮、小潮 大潮：太阳、月球与地球处于同一条直线上时，太阳潮+月球潮=大潮； 小潮：太阳、月球与地球三者成直角时，月球潮-太阳潮=小潮。,4,5.2.1潮汐能形成,5,5.2.1潮汐能生成,潮期除半日周期、月周期外，还有几天至几年等其它周期。当潮汐波冲击大陆架和海岸线时，通过上升、收聚、共振而使潮差增大。 潮汐系统是一种复杂的现象，因地而异，但任何地点的潮汐都是可以预报的。如我国著名的

4、钱塘江大潮，预报的准确性可以用分、秒计。,6,5.2.1潮汐能生成,由于大潮的能量较集中，人们利用潮汐能主要是利用大潮。如在适宜的地点建设潮汐电站，利用潮差的能量来发电。 据估计，全世界有开发潜力的潮汐能约为200Gkwh/a。,法国朗斯潮汐电站,7,5.2.2 潮汐能潮汐能技术,潮汐能现代利用技术以发电为主，其类型有 落潮发电单库单向发电 涨落潮发电单库双向发电 这两种方式，发电都是间歇的，年平均功率因数仅为0.250.35。,潮汐能是一种古老的能源，公元1100年，英国、法国、西班牙海岸就有了潮汐磨坊，其基本原理仍为现代潮汐能技术所应用。,8,单库单向发电,涨潮 向水库注水 落潮等待（待水

5、库内外产生水位差） 落潮发电至最小水位 重复,9,单库双向发电,涨潮 通过水轮机向水库注水并发电 落潮等待（待水库内外产生水位差） 落潮发电至最小水位 等待涨潮,10,5.2.2 潮汐能潮汐能技术,实现连续发电的可能技术： 潮汐电站与河流电站配合发电，功率因数1； 泵水储能改变发电时间，功率因数0.75； 压缩空气储能发电，功率因数0.90。,11,世界首台潮汐能发电机2008年安装在英国斯特兰福德湾,海水流速超过13km/h，“SeaGen”的装机容量达到1.2兆瓦，“是世界上第一个利用洋流发电的商用系统”,世界主要潮汐电站,12,5.2.3潮汐能研究与发展,无坝型潮流发电是一种正在研究中的

6、新技术，该技术尽管能量密度较低，但具有投资省的显著优点，发展潜力很大。 预计2020年，可达12Twh60Twh（折2.7 Mtoe13.5 Mtoe）。,我国潮流能发电试验最早是1978年由一位浙江农民自费进行的。他制作的螺旋桨式水轮机，通过液压传动装置带动发电机，在舟山群岛西候门潮流流速3米/秒条件下，发出了5.7干瓦功率的电力。,13,5.3 波浪能 资源特点,波浪能一种由风作用于洋面产生的能量。 在风力的推动下，水团相对于洋面发生位移，使波浪具有势能和位能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。 波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。台风导致的巨浪，其功率密

7、度可以每平方米迎波面数千千瓦，而波浪能丰富的欧洲北海地区，其年平均波浪功率也仅为2O4O千瓦平方米。中国海岸大部分的年平均波浪功率密度为 27千瓦平方米。,14,5.3.1波浪能 资源特点,波浪的表征： 波高； 波长相邻波峰或波谷间的距离； 波周期相邻波峰或波谷到达同一地点的时间间隔。 波浪能的能级，kw/m表能量通过一条平行于波前1米长线的速率。 波浪能源密度波浪在单位时间通过单位波峰的能量，千瓦平方米。 由于全球风的作用，波浪能密集区主要为40N60N，40S60S以及赤道附近30N30S的信风区。 可利用的波浪能仅局限于靠近海岸线的地方，大洋中的波浪能因距离太远则难以提取。,15,中国波

8、浪能资源,我国沿岸波浪能资源理论平均功率为1285.22万千瓦，这些资源在沿岸的分布很不均匀。 以台湾省为最多，为 429万千瓦，占全国总量的 13。其次是浙江、广东、福建和山东，总计约为706万千瓦，约占全国总量的55，广西沿岸最少，仅8.l万千瓦。 全国沿岸波浪能源密度分布，以浙江中部，台湾，福建省海坛岛以北，渤海海峡为最高，达 5.117.73kwm2。这些海区平均波高大于1m ，周期多大于5s。 其次是西沙、浙江的北部和南部。福建南部和山东半岛南岸等能源密度也较高，资源也较丰富。 其他地区波浪能能流密度较低，资源蕴藏也较少。,16,5.3.2波浪能 利用技术,海洋波浪属于低品位能源，在

9、自然状态下，由于大部分波浪运动没有周期性，故很难经济地开发利用。 以波浪为动力的装置一般都具备以下3个特点： 能够增大与波浪高度有关的水位差； 对波浪的幅度和频率有广泛的适应性； 既能适应小的波浪，又能承受大风暴引起的滔天巨浪。 主要的3种概念设计 利用波浪的垂直涨落来推动水轮机或空气涡轮机； 用凸轮或叶轮利用波浪的来回或起伏运动推动涡轮机； 利用波浪冲力把海水先汇聚到蓄水槽中，再推动水轮机。,17,波浪能提取装置分类,波浪能的利用研究较晚，20世纪70年代才开始，已有13个国家开展了研究，提出了多种提取波浪能的装置。,波浪发电装置示意图,19,空气透平发电,波浪能的用途,波浪能的主要用途是发

10、电，亦可用于海水淡化。总的看来技术尚不成熟，目前仅有少量小规模或试验性的装置在工作。 初步估计，至2020年，波浪能的发电能力将达112Twh（折0.22.5Mtoe）。,20,5.4.1海洋热能历史,1881年，法国物理学家德尔松瓦首先提出利用海洋热能发电的构想。20世纪30年代，他的学生克劳德在古巴建立了一个试验电站。但直到20世纪70年代，由于油价上涨，才引发了人们对利用海洋热能的兴趣，加强了研究与开发工作。 自1979年8月在美国夏威夷建成世界上第一座温差发电装置以后， 世界各国都对海洋温差发电给予足够的重视，目前186MW级的海洋温差电站已投人试运行。,美国16万kw海洋温差发电站-

11、1982,21,5.4.2海洋热能资源特点,海洋热能海洋表面与海洋深处温差产生的能量。 在热带、亚热带海区，海平面与1000m深处的海水温差达20以上，这是热能转换所需的最小温差。 全世界蕴藏海洋热能资源的海域面积为6000万Km2，发电能力可大于几万亿瓦。 但海洋热能丰富的海区都很遥远；在近海，由于温差小，提取热能的效率很低。故海洋热能的利用效率很低，但潜力的绝对量仍相当可观。,22,5.3海洋热能利用技术,海洋热能的基本利用形式海洋热能转换电站（OTEC），其工作方式主要有以下三种： 开式循环 闭式循环 混合循环,23,开式循环,表层温海水 闪蒸蒸发器 蒸汽 涡轮机发电 蒸汽冷凝 淡水 来

12、自深层的冷海水作为凝汽器的冷却介质。由于水蒸汽是在负压下工作，所以必须配置真空泵。 这种系统简单，还可兼制淡水；但设备和管道体积庞大，真空泵及抽水水泵耗功较多，影响发电效率。,24,闭式循环,表层温海水 蒸发工质 工质蒸汽发电 工质蒸汽冷凝 工质循环 深层冷海水仍作为凝汽器的冷却介质。这种系统因不需要真空泵是目前海洋温差发电中常采用的循环。 混合循环开式与闭式联合循环 。,25,5.4.4海洋热能发展前景,海洋温差发电由于冷热温差很小，其效率远低于普通火电厂， 仅为3左右，且温差小，换热面积大，建设费用高；海水腐蚀和海洋生物的吸附以及远离陆地输电困难等不利因素都制约着海洋温 差发电的发展。但海

13、洋辽阔，储能丰富，修建海上温差发电站仍具有广阔前景。 预计到2020年，海洋热能发电量可达35109168109kwh.,26,海水温差发电的利用方式,离陆地较近时，可用海底电缆向陆地变电站送电； 离陆地较远时，可利用电能先蒸发海水，制取淡水，再将淡水电解成氢和氧，然后用船将它们分别运往陆地。 利用电能从浓缩海水中提取铀和重水，然后运往陆地供核电站使用； 利用电能从海水中提取稀有金属，其中钽也是一种热核燃料； 向海上采油和锰矿开采提供电力。,27,5.5.1盐度梯度能资源特点,这是一种以化学能形式存在的海洋能。 海水的含盐量高，每立方公里海水有盐3500万吨，含盐浓度高的海水以较大的渗透压向淡

14、水扩散，这种渗透压所产生的能量即为盐度梯度能。 在大洋的河口，如上海吴淞口，产生的渗透压理论上可以使海水的水头提高240m。换算为发电能力，每m3的淡水可发电23kwh。 死海的盐度更高，其与淡水间的渗透压相对于水头5000m。 理论上，如果用有效的装置来提取全世界河流入海口的盐度梯度能，可获得发电能力26109kw。,28,盐度梯度能发电原理,将半透膜置于入海口的海水与淡水之间，半透膜两侧插入电极，由于渗透压压差而产生电动势；亦可利用渗透压差产生的高水头，通过水轮机发电。 目前，已研究开发出来的系统都非常昂贵。因此，对于是否利用盐度梯度能，如何利用盐度梯度能的问题，还存在争议。,29,思考题,1 潮汐能产生的原因是什么？它有那些基本形式？ 2 波浪能、海洋热能、盐度梯度能有那些可能的利用途径？,30,